楊玉敏，胡 潔，姚 蘭,高 峰，董素文

(1.邢臺學(xué)院，河北 邢臺 054001;2. 邢臺旭陽化工有限公司，河北 邢臺 054001)

水體懸浮物是造成水體污染的物質(zhì)之一，隨著水體的流動，懸浮物污染物質(zhì)在不斷地擴(kuò)散、蔓延，造成的水體環(huán)境污染損失不斷加劇，最后污染整個水體，對周邊生產(chǎn)生活帶來嚴(yán)重影響。

遙感技術(shù)是1960年發(fā)展起來的一種應(yīng)用探測儀器，不與監(jiān)測物體接觸，遠(yuǎn)距離識別目標(biāo)電磁波特性，通過分析計算，揭示出監(jiān)測物體特性和變化的一門綜合性監(jiān)測技術(shù)[1]。在水體監(jiān)測領(lǐng)域中彌補(bǔ)了傳統(tǒng)水體監(jiān)測的缺點，對水體污染物含量變化問題能夠及時作出反應(yīng)，以便采取措施減小危害，而且通過長期、動態(tài)的遙感監(jiān)測還能掌握水體未來的污染情況，對未來水體污染趨勢采取及時反應(yīng)，從而減小水體污染物對周邊環(huán)境造成的危害[1]。

遙感技術(shù)的發(fā)展，不僅在水質(zhì)監(jiān)測領(lǐng)域中有所應(yīng)用，還為其它領(lǐng)域的監(jiān)測開辟了新的發(fā)展道路。比如在地質(zhì)監(jiān)測領(lǐng)域，應(yīng)用遙感技術(shù)測繪地形、地質(zhì)找礦等；在軍事領(lǐng)域，遙感可以全天候和全天時進(jìn)行地質(zhì)偵查；在線路工程領(lǐng)域，遙感技術(shù)可以進(jìn)行工程穩(wěn)定性分析和線路規(guī)劃等等。遙感技術(shù)的應(yīng)用，能讓人們清楚、及時的了解環(huán)境污染現(xiàn)狀，并對污染現(xiàn)狀做出判斷，為環(huán)境資源保護(hù)提出科學(xué)、合理的防治措施。

1 水體懸浮物的光學(xué)性質(zhì)及遙感原理

1.1 水體懸浮物組成及對水體的影響

水體懸浮物指不能通過孔徑為0.45μm濾膜的懸浮在水中的固體顆粒物質(zhì)，包括不溶于水的無機(jī)物、懸浮泥沙、黏土等可沉降的、人眼可見的固體顆粒物質(zhì)[3]。這些顆粒主要是由泥沙、黏土、藻類、細(xì)菌、有機(jī)物、無機(jī)物等高分子物質(zhì)組成，常常懸浮在水體中。

水體中的懸浮物阻礙光進(jìn)入水體，使水體變得渾濁，影響了水體的清澈程度；水體中的藻類使水體色度增加，枯萎的藻類逐漸堆積，產(chǎn)生黏泥，造成污泥的淤塞；而水體中的某些固形物將會沉積下來，在地表形成層結(jié)，降低水底土壤的透氣性、透水性等等。

1.2 水體懸浮物遙感原理

1.2.1 水體懸浮物的光學(xué)性質(zhì)

水體的光學(xué)特性分為表觀光學(xué)特性和固有光學(xué)特性。表觀光學(xué)特性是隨太陽光照射條件的變化而變化的，體現(xiàn)為光譜反射率的變化，不考慮水體本身的物理性質(zhì)，主要參數(shù)包括輻射度比、向上輻照度、離水輻亮度、漫衰減系數(shù)等[4]。固有光學(xué)特性僅由水體本身的物理特性決定，不隨外界光輻照強(qiáng)度的變化而變化，由吸收系數(shù)、散射系數(shù)、折射率、光衰減系數(shù)等參數(shù)組成[5]，其中吸收系數(shù)和散射系數(shù)最為常用，而吸收特性是構(gòu)建水體高精度遙感模型的基礎(chǔ)。

由懸浮泥沙與反射率光譜曲線圖可知，懸浮泥沙濃度的不同，光譜的反射率也不同。當(dāng)懸浮物濃度為3.40mg/L時，隨波長增大，反射率沒有較大變化；當(dāng)懸浮物濃度增加至847.4mg/L時，反射率隨波長的變化有兩個明顯的反射峰。第一個反射峰在560～720nm 波段內(nèi)，當(dāng)懸浮物濃度在18.7～90.5mg/L時，反射峰出現(xiàn)在570～590nm之間；當(dāng)懸浮物濃度在162～847.4mg/L時，反射峰出現(xiàn)在660～700nm之間；第二個反射峰在波長790～800nm處，濃度為18.7～847.4mg/L之間懸浮泥沙在此波長范圍內(nèi)均有明顯反射峰。

1.2.2 懸浮物遙感技術(shù)路線

當(dāng)太陽輻射到達(dá)大氣與水體的界面時，一部分輻射被反射，其余的部分則折射進(jìn)入水體內(nèi)部，被水面下被多種分子散射和吸收[8]。由于水體的組分以及組分濃度的不同，使水體的密度、透明度、顏色和溫度等有所不同，從而導(dǎo)致了水體反射能量的變化和不同，傳感器接收到的反射光和散射光的輻射也不同，從而可以反映不同水體的組分特征[9]。

通常情況下，在近紅外與可見光波段區(qū)域，光譜反射率是水體懸浮物光學(xué)特性最直觀的體現(xiàn)。懸浮物的含量和類型、懸浮顆粒大小以及遙感器的觀測角等因素都會影響懸浮物的光譜反射率。懸浮物含量較低時，吸收特性較強(qiáng)，隨著懸浮物含量增加，吸收特性減弱，水體的反射率增加。另一方面，水體懸浮物的散射特性是光受水體本身狀況影響而偏離傳播方向的性質(zhì)。在懸浮顆粒多的水體中，光的衰減主要受散射影響。散射的強(qiáng)度是隨水體懸浮物顆粒濃度變化而變化的，懸浮物顆粒粒徑越小，散射系數(shù)越大，相應(yīng)的反射率越大。

1.3 研究意義

水體監(jiān)測是水污染防治內(nèi)容之一。當(dāng)前，傳統(tǒng)的水資源監(jiān)測主要依靠人工、設(shè)置監(jiān)測站等方法來獲取、計算、分析水體資源信息，但傳統(tǒng)的水資源監(jiān)測也存在一些問題，包括：(1)無法直接獲取區(qū)域面上的信息；(2)由于監(jiān)測站點的歸屬不同，一些地面監(jiān)測地區(qū)不能實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享；(3)監(jiān)測站點不足，沒有完全覆蓋所有水源地，存在盲區(qū)。對于區(qū)域的整體水體來說，監(jiān)測數(shù)據(jù)只能代表局部的監(jiān)測，并不能取得大范圍水體水質(zhì)監(jiān)測情況，不能實時、高效、快捷的對水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測和評價。

遙感技術(shù)的興起，在水體監(jiān)測領(lǐng)域中彌補(bǔ)了傳統(tǒng)水體監(jiān)測的缺點，使人們獲取的水體信息內(nèi)容更加豐富，獲得的數(shù)據(jù)更加清晰，從而有助于人們及時的了解水域污染情況，清楚的反映環(huán)境污染現(xiàn)狀和分布情況，并對污染情況做出判斷，為國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展提供動態(tài)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù)。

2 水體懸浮物含量遙感反演及研究現(xiàn)狀

2.1 經(jīng)驗?zāi)Ｐ头囱?/h3>

經(jīng)驗?zāi)Ｐ褪且环N將衛(wèi)星遙感影像經(jīng)ENVI、ArcGIS等專用軟件處理后得到的數(shù)據(jù)與實地水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)建立相關(guān)性聯(lián)系的統(tǒng)計回歸模型。反演的具體過程是從衛(wèi)星數(shù)據(jù)資源網(wǎng)站獲取特定水域?qū)崟r監(jiān)測圖像，由上述軟件對其進(jìn)行輻射定標(biāo)和大氣校正等預(yù)處理，將影像的無量綱DN值轉(zhuǎn)化為地物的反射率值，通過波段或波段組合的像元反射率與實測懸浮物數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析，選取相關(guān)系數(shù)最大的波段或波段組合，將其反射率信息作為自變量，建立與因變量(懸浮物含量實測數(shù)據(jù))之間的擬合方程模型，驗證模型精度并選擇精度最高的模型進(jìn)行水體懸浮物含量反演。

經(jīng)驗?zāi)Ｐ鸵蕾囁w的表觀光學(xué)性質(zhì)，通過分析處理遙感影像數(shù)據(jù)來反推水體參數(shù)。該方法簡便易行，適用于絕大多數(shù)可獲取實際測量數(shù)據(jù)的水域。但其缺點在于需要同步的實際監(jiān)測數(shù)據(jù)來構(gòu)建模型，且模型的可移植性太差，在某一水體上建立的模型通常不能直接應(yīng)用到其它水體，即使是同一水體，根據(jù)不同時令、季節(jié)的監(jiān)測數(shù)據(jù)建立出來的模型也有所差異。另外對于懸浮泥沙濃度變化范圍很大的水體，直接利用經(jīng)驗反演模型進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測有時效果不太理想。為此一些研究者提出了不同的分段反演模型，按懸浮物含量的不同分別采用不同的分段演算法。

2.2 理論模型反演

理論模型的反演，是利用遙感反射率、輻射亮度等計算水體吸收系數(shù)與后向散射系數(shù)之間的比值,并與水中各組分特征吸收系數(shù)、后向散射系數(shù)相聯(lián)系，進(jìn)而反演水質(zhì)參數(shù)的一種遙感反演方法。在實際水質(zhì)監(jiān)測中，由于光在水體中的輻射傳輸過程復(fù)雜，理論模型對數(shù)據(jù)源的要求較高，獲取水體內(nèi)部的光學(xué)參數(shù)很難。除了在某些特定條件下，一般反演精度并不能達(dá)到實際監(jiān)測的要求，所以人們很少使用這種方法反演。

李云梅等在監(jiān)測太湖懸浮物濃度一文中，將TM影像數(shù)據(jù)的無量綱DN值,轉(zhuǎn)化為反射率數(shù)據(jù),將Gordon模型與水體組分相聯(lián)系，建立了太湖理論模型，并用實際測量的數(shù)據(jù)作驗證，發(fā)現(xiàn)模型精度在70%～80%之間，進(jìn)而通過該模型的反演，繪制出太湖懸浮物濃度分布圖，開創(chuàng)了用TM 影像數(shù)據(jù)反演太湖水懸浮物濃度的理論模型。

2.3 半經(jīng)驗半理論模型反演

半經(jīng)驗半理論反演模型是綜合考慮光輻射傳輸?shù)奈锢頇C(jī)制及水體各要素的吸收系數(shù)和散射系數(shù)等因素,考慮光在水體中輻射衰減特性，將理論反演模型與經(jīng)驗反演模型相結(jié)合，按具體情況把水體固有光學(xué)特性進(jìn)行簡化求解的一種反演模型。由于考慮了水體自身物理特性對反射率的影響，這一模型精度較高，應(yīng)用范圍越來越廣泛。

3 總結(jié)與展望

本文通過對水體懸浮物組成、光學(xué)特性的介紹，指出遙感反演模型與光學(xué)性質(zhì)之間的關(guān)系，闡述了水體懸浮物遙感反演原理及發(fā)展現(xiàn)狀，分類闡述各種模型對水體懸浮物反演過程。

基于實際情況的特殊性，不同的水質(zhì)使用的遙感監(jiān)測反演方法也不同，通過多角度分析，才能實現(xiàn)精確的水質(zhì)監(jiān)測。在今后研究中要增強(qiáng)高光譜技術(shù)在水質(zhì)監(jiān)測中的應(yīng)用；深入研究不同水質(zhì)參數(shù)的光學(xué)特性，擴(kuò)大水質(zhì)參數(shù)的遙感監(jiān)測范圍，建立不同水質(zhì)參數(shù)的數(shù)據(jù)庫；改進(jìn)統(tǒng)計分析技術(shù)，多元遙感數(shù)據(jù)融合，提高水質(zhì)監(jiān)測的精度，多運用高分辨率遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行定量和定性分析。根據(jù)不同的反演模型，通過各種方法，逐漸完善水域水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，提高新型的水質(zhì)監(jiān)測傳感器精度以及復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析處理技術(shù)等。

[1] 李葆權(quán).黃河高揚程提水灌區(qū)滴灌系統(tǒng)水質(zhì)凈化處理研究[J].節(jié)水灌溉,2014(9):27-29.

[2] 盧世軍.II類水體懸浮物遙感研究進(jìn)展[J].現(xiàn)代計算機(jī),2016(32):34-39.

[3] 周曉宇,孫德勇,李云梅,等.結(jié)合水體光學(xué)分類反演太湖總懸浮物濃度[J].環(huán)境科學(xué),2013(07):2618-2627.

[4] 吳傳慶.環(huán)境一號衛(wèi)星數(shù)據(jù)的水環(huán)境遙感應(yīng)用[M].北京:中國環(huán)境出版社,2014:48-94.

[5] 朱 鶴.遙感技術(shù)在地表水源地水體監(jiān)測中的應(yīng)用研究[J].中國水利水電科學(xué)研學(xué)院,2013(16):72-73.

[6] 王 昉,王 巍,史 明,等.基于遙感的北京城區(qū)水體懸浮物濃度監(jiān)測[J].水資源保護(hù),2013(4):82-94.

[7] 王代堃,國巧真.地表水懸浮物濃度遙感反演研究[J].測繪科學(xué),2016(5):1-10.

[8] 朱玉霞,張 杰,劉 銳,等.基于HJ-1衛(wèi)星的丹江口庫區(qū)水質(zhì)遙感監(jiān)測研究[J].環(huán)境科技,2014(5):52-58.

[9] 喬曉景,何報寅,張 文,等.基于MODIS的長江中游河段懸浮泥沙濃度反演[J].長江流域資源與環(huán)境,2013(08):1090-1095.